Radiação Atmosférica Capítulo 2

1. Radiação Atmosférica Capítulo 2 Referência: An Introduction to Atmospheric Radiation, Kuo-Nan Liou, 1980

2. 2. Radiação Solar no topo da Atmosfera 2.1 Sol como uma Fonte de Energia 2.2 Órbita da Terra em torno do Sol 2.3 Espectro Solar e a Constante Solar 2.5 Distribuição de Insolação fora da Atmosfera

3. 2.1 Sol como uma Fonte de Energia Uma descrição completa do Sol, sua estruturas e manchas solares encontra-se no site Astronomia e Astrofísica, capítulo O Sol-a nossa estrela

4. 2.2 Órbita da Terra em torno do Sol Uma apresentação completa sobre a órbita da Terra em torno do Sol é apresentada no site Astronomia e Astrofísica, capítulo Estações do Ano.

5. 2.2 Órbita da Terra em torno do Sol Variações da órbita da Terra em torno do Sol: • excentricidade • ângulo de inclinação • precessão

6. Excentricidade • Excentricidade média da órbita da Terra é de 0,017 • Flutua em 0,05 em um período variável de 100.000 anos.

7. Ângulo de Inclinação • Eixo de rotação da Terra está inclinado em 23,50 em relação ao plano de translação da Terra. • Varia ciclicamente em 1.50 com um período de 41.000 anos

8. Precessão dos Equinócios • Em conseqüência da atração gravitacio-nal dos outros planetas sobre a Terra, ocorre um movimento de pião do eixo de rotação, conhecido como precessão. • O momento no qual a Terra está mais próxima do Sol avança em 25 minutos por ano. • Período da precessão é de 21.000 anos • Ver também Precessão do Eixo da Terra, no site de Astronomia e Astrofísica.

9. Precessão dos Equinócios

10. Variações Climáticas • Análise de registro climático de 500.000 anos contido no sedimento do fundo do oceano Índico, a partir de medidas da composição isotópica de oxigênio de foraminifera planctônica; • Resultado da análise: • Componente climática de 100.000 tem um período próximo das variações de excentricidade da órbita • Componente de 40.000 tem o mesmo período das variações de inclinação do eixo. • Componente de 23.000 anos está associado à precessão.

11. Variações Climáticas • Portanto, as variações climáticas são fortemente afetadas pela órbita da Terra em torno do Sol e suas variações. • Principais variações climáticas são estações do anos.

12. 2.3 Espectro Solar e a Constante Solar • Espectro Solar = Distribuição de Radiação Eletromagnética emitida pelo Sol como função do  incidente • Constante Solar S = quantidade de energia solar total que chega ao topo da atmosfera = fluxo de energia solar (energia/ unidade de tempo) que cruza uma superfície de área unitária normal ao feixe de raios solares colocada na distância média da Terra ao Sol (150 milhões de km) S=135321 W/m2 (medida experimentalmente)

13. Espectro Solar

14. Espectro Solar • Absorção = H2O, CO2, O3 e O2 • Curva de corpo negro T = 6000 K • Origem = fotosfera • Distribuição • 10%  menor do que visível • 40% no visível • 50% no infravermelho próximo • UV absorvido pelo ozônio e oxigênio e nitrogênio moleculares acima de 10 km.

15. Constante Solar • Emissão solar = 6,2.107 W/m2 • Por conservação de energia, a energia que chega na órbita da Terra é dada por F. 4a2 = S. 4d2 F= emitância do Sol, a=raio do Sol e d= distância média entre Sol e Terra • Logo: S=F(a/d)2

16. Energia Solar no topo da Atmosfera • O disco da Terra intercepta uma energia que é: S R2, onde R=raio da Terra. • Esta energia se distribui uniformemente sobre a superfície: Q= S R2/ 4R2 =S/4 onde Q é a energia recebida por unidade de área por unidade de tempo no topo da atmosfera.

17. Temperatura Efetiva • Se F= T4e S=F(a/d)2, então S= T4 (a/d)2 ou ainda T4 = (S/) (d/a)2 • Substituindo os valores, obtém a temperatura efetiva do Sol: T = 5800 K

18. Distribuição de Insolação fora da Atmosfera • Insolação = fluxo de radiação solar por unidade de área horizontal • Depende do ângulo zenital e também da distância instantânea entre a Terra e o Sol. • Densidade de fluxo no topo da atmosfera é: F=Fo cos o onde o e’ o ângulo zenital e Fo é a densidade de fluxo solar no topo da atmosfera quando a distância entre a Terra e o Sol é d.

19. Distribuição de Insolação fora da Atmosfera • A expressão S = Fo (d/dm)2representa a correção para a distância instantânea da Terra ao Sol, d, onde dm é a distância média. • Substituindo na expressão anterior : F= S(dm/d) 2cos o • A densidade de fluxo F representa a taxa de aquecimento solar no topo da atmosfera por unidade de área, ou seja:

20. Distribuição de Insolação fora da Atmosfera • Logo, a insolação em um dado período de tempo é

21. Ângulo Zenital

22. Distribuição de Insolação fora da Atmosfera • Se =dh/dt=2 rad/dia, então a equação anterior fica: onde H representa metade do dia.

23. Energia Solar por unidade de área no topo da atmosfera do globo, função da latitude e do dia do ano (cal cm-2 dia-1).

24. Exercícios 2.2 Dado a constante solar de 1,94 cal cm-2 dia-1, a distância média da Terra ao Sol de 150.106km e o raio do Sol 0,7.106km, calcule a temperatura efetiva do Sol. 2.3 Se o Sol emite 6,2.107wm-2 e o raio da Terra é 6,37.103km, qual seria a quantidade total de energia interceptada pela Terra em um dia? 2.5 Considere uma nuvem circular cujo diâmetro é 2 km e suponha que ela é um corpo negro infinitamente fino com uma temperatura de 10oC. Quanta energia ela emite em direção à Terra? Quanta energia desta nuvem é detectada em um centímetro quadrado de superfície terrestre quando o centro da nuvem está a 1 km diretamente sobre a superfície receptora?

25. Exercícios 2.7 Suponha que r é o albedo médio da Terra (albedo é definido como a razão entre a quantidade de fluxo refletido para o espaço e o fluxo solar que chega) e que o sistema Terra-atmosfera está em equilíbrio por um longo período de tempo. Mostre que a temperatura de equilíbrio do sistema Terra-atmosfera é: T=[(1-r)S/4]1/4 2.8 A seguinte tabela (p.49) fornece as distâncias do Sol dos vários planetas e seus albedos. Usando o resultado do exerc. 2.7, compute as temperaturas de equilíbrio desses planetas. 2.11 Calcule a insolação diária no topo da atmosfera em a) o pólo Sul no solstício de inverno e b) o equador no equinócio vernal. Use a distância média da Terra ao Sol em seus cálculos e compare-os com os valores da figura 2.10.